內嵌鋼板鋼銷木連接抗彎性能數值分析

董 鑒 張盛東

(同濟大學建筑工程系，上海 20092)

1 引 言

節點連接是結構的重要組成部分且其受力狀態復雜，是設計、研究中最受關注的課題之一。尤其在木結構中，節點連接是木結構性能的控制因素。為滿足節點連接的使用性能要求，內嵌鋼板鋼銷連接應運而生，其已是一種在世界范圍內應用最廣泛的連接方式之一。

木結構設計中內嵌鋼板銷式連接大多假定為鉸接，但也有許多項目中將其用作抗彎連接， 2010年上海世博會挪威館就采用了這種連接方式。國內外對于該種連接的研究主要集中于節點連接的順紋、橫紋性能[1-5]，而對其抗彎性能的研究相對較少[6]。為充分了解內嵌鋼板銷式木連接在彎矩作用下的受力性能，對其進行深入研究具有重要意義。

2 試驗簡介

試驗中所涉及的材料包括膠合木、鋼銷和鋼板。鋼板采用Q235鋼，實測厚度為7.2 mm；鋼銷實測直徑為10.6 mm，其抗拉屈服強度平均值為357 MPa，極限抗拉強度平均值為478 MPa。評定膠合木的強度等級為GL 36 h[8]。

試驗分為A、B兩組試件，膠合木梁均是內嵌3塊鋼板，其中，A組試件節點連接均位于連接構件的純彎段，B組試件連接節點均位于連接構件的彎剪段。具體參數見表1，試驗布置如圖1所示[9]。

表1試驗主要參數

Table1Detailsofexperiment

組號試件編號節點位置a鋼銷列數nrALA-12 600 mm2LA-22 600 mm3BLB-11 500 mm2LB-21 500 mm3鋼銷行距鋼銷列距鋼銷端距鋼銷邊距80 mm90 mm85 mm35 mm

圖1 試驗布置示意(單位：mm)Fig.1 Experiment arrangement (Unit: mm)

3 膠合木梁抗彎性能數值分析

3.1 數值模型簡介

數值模型采用三維有限元模型。其中，膠合木由于本構關系復雜，采用Hill屈服準則[10]結合雙線性隨動強化模型BKIN，來考慮材料的各向異性和屈服后的材料強化；鋼銷和鋼板都是理想彈塑性材料，采用雙線性隨動強化模型BKIN模型；單元選用SOLID185單元，模型中木材與鋼銷接觸區域單元尺寸取為20，其他部分取為40；模型采用了接觸分析，接觸單元采用面—面接觸對TARGE170和CONTA173。木材與木材之間的摩擦系數采用0.3，木材與鋼板之間的摩擦系數采用0.1[6,7]，木材與鋼銷之間的摩擦系數采用0.5。木梁支座約束按簡支梁設置，荷載采用點荷載加載。數值模型如圖2所示，參數取值如表2所示。

圖2 ANSYS模型Fig.2 Model in ANSYS

表2膠合木材料參數[11]

Table2Detailsoflaminatedtimber[11]

材料參數數值屈服強度/MPa20順紋彈性模量/MPa11 900橫紋彈性模量/MPa490剪切模量/MPa910γLR0.35γLT0.32γRT0.42

注：γLR，γLT，γRT為膠合木各個方向的泊松比，其中，LR代表縱向和徑向組成的平面，LT代表縱向和切向組成的平面，RT代表徑向和切向組成的平面。

3.2 數值模擬結果與試驗結果對比

A、B組模擬結果與試驗結果對比數值模擬中承載力峰值點的定義是：ANSYS計算不收斂時前一級荷載所對應的點。通過圖3對比得出，A、B組荷載—跨中位移曲線模擬值與試驗值比較吻合，這表明該數值模型的建立是可行的。因此，可通過數值模擬，以LA-1試件的幾何尺寸、材料參數為標準，改變一定的設計參數來進一步分析節點連接性能的影響因素。

圖3 A、B組木梁荷載-跨中位移曲線圖Fig.3 P-Δ curves of group A and B

3.3 不同設計參數對連接抗彎性能影響的研究

1) 鋼銷直徑

圖4顯示了其他條件相同情況下不同鋼銷直徑對連接抗彎性能的影響。可以看出：隨著鋼銷直徑的增大，膠合木梁剛度增大，極限承載力增大，但其影響是有限的。

圖4 不同鋼銷直徑的荷載-跨中位移曲線Fig.4 P-Δ curve of different dowel diameters

2) 鋼銷列數

圖5顯示了其他條件相同情況下不同鋼銷列數對連接抗彎性能的影響。可以看出：鋼銷列數增大，膠合木梁剛度增大，極限承載力增大；同時，由2列增加到3列鋼銷對跨中位移和極限荷載的影響顯著。

3) 鋼板數量

圖6顯示了其他條件相同情況下不同鋼板數量對連接抗彎性能的影響。可以看出：鋼板數量增加，膠合木梁剛度增大，極限承載力增大，且其影響顯著，但當鋼板數量增加到4塊時，其影響明顯減小；增大鋼板間距能一定程度地提高連接抗彎性能。

圖5 不同鋼銷列數的荷載-跨中位移曲線Fig.5 P-Δ curve of different dowel columns

圖6 不同鋼板數量的荷載-跨中位移曲線Fig.6 P-Δ curve of different steel plates

圖7 不同鋼板數量下的變形最大鋼銷Fig.7 The largest deformation dowel under different steel plates

然而，據Gehri[12]等研究表明，鋼板數量增加到4塊時，連接的承載力反而減小了，這主要是由于鋼板數量的增加，鋼板間木材厚度相應減小，導致鋼板間木材更容易發生劈裂破壞。可見并不是鋼板數量越多越好，采用鋼板數量不應多于3塊。

同時，每個鋼板有2個剪切面，理論上增加鋼板數量能等比例地提高連接抗彎性能，事實并非如此。這是由于在不同鋼板數量下，鋼銷的破壞模式是不同的。通過圖7的比較可以清晰地看到這一點。

4) 鋼板厚度

圖8顯示了其他條件相同情況下不同鋼板厚度對連接抗彎性能的影響。可以看出：增加鋼板厚度對提高連接抗彎性能不明顯。

圖8 不同鋼板厚度的荷載-跨中位移曲線Fig.8 P-Δ curve of different thickness of steel plates

5) 鋼銷強度等級

圖9顯示了其他條件相同情況下不同鋼銷強度等級對連接抗彎性能的影響(LA-1中鋼銷強度按4.6級考慮)。可以看出：隨著鋼銷強度等級的增加，膠合木梁剛度增大，極限承載力增大，其影響幅度與鋼銷直徑影響相近。

圖9 不同鋼銷強度等級的荷載-跨中位移曲線Fig.9 P-Δ curve of different strength of dowel

6) 膠合木強度等級

圖10顯示了其他條件相同情況下不同膠合木強度等級對連接抗彎性能的影響。可以看出：隨著膠合木強度等級的增加，膠合木梁剛度增大，極限承載力增大。

4 結 論

(1) 通過建立三維有限元模型分析比較，從模擬結果與試驗結果的對比來看，該數值模型能夠較好地模擬試驗。

圖10 不同膠合木強度的荷載-跨中位移曲線Fig.10 P-Δ curve of different strength of laminated timber

(2) 通過不同設計參數影響研究，增加鋼板數量與鋼銷列數均能較大幅度地提高連接抗彎性能；增大鋼板間距能一定程度地提高連接抗彎性能；鋼銷直徑、鋼銷強度等級、膠合木強度等級的增加均能一定程度地提高連接抗彎性能，但其影響是有限的；鋼板厚度對連接抗彎性能的影響不明顯。

(3) 在工程中，不考慮制作和裝配工藝的要求，建議優先選用6 mm厚的鋼板、2塊鋼板(盡可能大的間距)、3列鋼銷；當需要提高連接抗彎性能時，優先增加鋼板數量(鋼板數量不多于3塊)和鋼銷列數，其次選擇提高鋼銷直徑、鋼銷強度等級、膠合木強度等級。

上述結論能為今后木結構的研究、設計和應用提供參考。

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